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行业新闻

达冠生物质燃烧机预混燃烧的数值研究

达冠生物质燃烧机预混燃烧的数值研究

摘要:开发了带有回热夹层的多孔介质微生物质燃烧机,对其预混燃烧性能进行了数值模拟,研究了燃烧功率和过量空气系数对微生物质燃烧机的出口尾气温度、燃烧效率、壁面温度和热损失率的影响.结果表明:在较宽的燃烧范围内,微生物质燃烧机具有较高的燃烧效率和较低的热损失率,而且随着燃烧热功率和过量空气系数的增大,微生物质燃烧机的外壁面温度和热损失率反而减小;多孔介质微生物质燃烧机的最佳燃烧功率为200 W,最佳的过量空气系数范围为2.5 <a <3.0.通过对其温度场的分析表明,由于采用了特殊的回热夹层和多孔介质板相向的进气方式,使得反应气体的流动方向散热方向相反,反应气体在回热夹层和多孔介质中吸收了向外散热,提高了燃烧效率,有效降低了微生物质燃烧机的热量损失;所设计的多孔介质微生物质燃烧机是一种燃烧效卒高、热损失率低的微型生物质燃烧机.

0  引言    1  数学模型和边界条件

    作为微动力系统之一,基于微尺度燃烧的微透平发电系统由于具有能量密度高、体积微小、输出能量方式灵活等优点,可望为微型飞行器、微小卫星、便携电子设备等提供动力或者电能,因此在军事、民用等领域具有重要的应用前景

    微生物质燃烧机是微燃烧透平发电系统的关键部件,其职能是将燃料的化学能转变为燃气的热能,获得合适的出口尾气温度,同时尽可能减少热损失,获得较高的热效率.随着尺度的减小,微燃烧器的表面积体积比(4/功却反比增加,导致其热损失相应增大口1.在早期的实验研究。4。5中,微生物质燃烧炉的热损失非常大,甚至超过70%,导致微燃烧透平发电系统的热电转换效率很低.因此,开发热效率高、操作范围宽、热损失小的微生物质燃烧机是开发微燃烧透平发电系统的关键.多孔介质燃烧是一种新颖的燃烧技术,具有燃烧效率高,可燃极限宽,污染物排放低等优点,为此,笔者开发了新型多孔介质微生物质燃烧机,并采用数值模拟方法对微型多孔介质生物质燃烧机的预混燃烧特性进行了数值研究.

1.1  几何模型

    多孔介质不锈钢微生物质燃烧机的结构如图1历示,H,/Air预混气体经四根均布的内径为西1.5mm的不锈钢管进入间隙为0.5 mm的回热夹层,然后经多孔介质板相向向内进入微燃烧室,燃烧尾气经直径为Q2 mm的尾气出口喷出.采用泡沫铜板作为微生物质燃烧机的多孔介质,其孔隙率s为0. 89.考虑到其几何结构和流场的对称性,取其1/4建立模型,经过网格独立性考核,取25万网格较为适合,网格均为四面体网格.

1.2控制方程

    预混气体通过回热夹层经多孔介质板进入微燃烧室进行燃烧,由于多孑L介质板较薄,而且平均孔径较小,因此不考虑预混气体在多孔介质中的烧反应,只考虑气体在多孔介质区中的流动和传热过程,而在其它区域仍为白由空间中的流动和燃烧问题,所以在泡沫铜板区采用描述多孔介质区域流动和传热的控制方程,包括质量守恒方程、动量方程和能量方程.

1.3  化学反应机理和边界条件

    应用CFD软件包FLUENT6.2进行求解,模拟过程中引入了H2 /Air燃烧的详细化学反应机理CHEMKIN程序,该机理包含19个可逆的基元反应10-,所有涉及反应的9种组份包括H:、0:、H、H02、OH、0、H:O、H:O:、M.模拟过程中,先进行H,/Air的单步反应,选用有限速率和涡耗散相结合的燃烧模型,再进行19步化学反应模拟,采用涡耗散概念模型.动量方程中的求解采用压力和速度耦合的SIMPLE算法.近壁面区采用标准的壁面函数.

    人口为速度边界条件,根据T况给定预混气体人口速度和气体组份,气体温度为298 K.m口为压力m口边界,相对压力为零,气体组份取空气的组份.内壁面默认为无滑移边界条件,设定为流固耦合,外壁面与环境之间的对流换热系数取5W/( m2.oC),壁面的辐射率取0.6,环境温度取298 K.1/4模型的两个对称面设定为对称边界.

    进行不同氢气流量下的燃烧数值模拟,完全燃烧时所对应的燃烧热功率P分别为100.150,200,250,300 W.对每一种氢气流量,进行了不同过量空气系数下的数值模拟,研究了过量空气系数和燃烧热功率对微生物质燃烧机的出口尾气温度、燃烧效率、壁面温度和热损失的影响,最终确定了适合微燃烧透平发电系统的最佳操作范围.

2  计算结果与讨论

2.1  出口尾气温度

    对于微燃烧透平发电系统,燃烧室出口尾气温度是决定燃烧透平效率高低的主要因素,尾气温度越高,透平效率越高,系统的热电转换效率也越高,为了获得较高的透平效率,同时防止透平叶片因温度过高而损坏,出口尾气温度必须处于合理的温度范围.对设计外径为14 mm的微透平转子,设计转速为1×l05 r/min时,按照等厚度叶轮应力计算其最大应力为17. 73 MPa,接近316不锈钢材质在其抗氧化温度850℃下的许用应力,因此设计中微燃烧室出口尾气温度取1 100 K以下较为合理.

    图2是不同燃烧功率下微燃烧室m口尾气温度L。.随过量空气系数d的变化曲线,当过量空气系数d<1.0时,燃烧处于富燃料燃烧状态,随着d的增大,出口尾气温度逐渐升高,当d接近1.0时,氢气和空气在化学当量比处反应,出口尾气温度达到最高值,燃烧热功率为200 W时达到476 K.随着d继缤增大,空气流量相应增加,燃烧室出口尾气温度逐渐降低.对于燃烧功率为150 W和200 W、过量空气系数位于2.5 <a <3.0时,出口尾气温度在1 100 K左右,符合微燃烧透平发电系统的温度要求.当d >3.0时,随着d的增大,出口温度下降较快,而且燃烧功率越大,出口尾气温度下降越快.这主要是由于在高过量空气系数下,燃烧功率越大,燃气质量流量越大,燃气在燃烧室内的停留时间则越短,所以燃烧功率越大,燃烧效率越低,燃烧室尾气温度越低.

    另外,燃烧功率从100 W增大到200 W时,燃烧室尾气温度增幅较大,当超过200 W后,随着燃烧热功率的增大,温度增幅逐渐减小.因此,设计的微型生物质燃烧机的燃烧功率为200 W较为合适,而过量空气系数为2.5<d<3.0较为适宜.

2.2燃烧效率

    图3是不同燃烧热功率下微生物质燃烧机的燃烧效率卵随过量空气系数a的变化曲线.当a <1时,燃烧处于富燃料燃烧状态,燃烧效率始终小于1.随着d的增大,氧气含量逐渐增大,燃烧效率也逐渐升高.当P小于200 W时,过量空气系数在1.0<d<3.0乏间,燃烧效率均较高,接近100%;当d>3.0时,卵开始明显下降。而P为250 W和300 W,当d>2.5时,卵已经开始明显下降。因此,为了获得合适的出口尾气温度和较高的燃烧效率,微生物质燃烧机的燃烧功率应为200 W,最佳的过量空气系数操作范围为2.5<d<3.0.

    对于微小尺度燃烧室,燃烧效率卵与邓克尔数Da有关,Da是燃气在燃烧室的停留时间与燃烧反应时间的比值,当停留时间小于燃烧反应时间时,Da <1,部分燃气在还未燃烧完全时便被吹m了燃烧室,导致燃烧效率小于100%.反应气体在燃烧室内的停留时间与燃烧室的体积、操作压力成正比,与燃气质量流量成反比。31.因此随着d的增大,燃气质量流量增大,反应气体在燃烧室内的停留时间大大减小,小于燃烧反应时间,部分氢气还未来得及燃烧就被吹出了微燃烧室,所以当d>3.0,微生物质燃烧机的燃烧效率急剧降低,m口尾气温度也急剧下降.

2.3  微燃烧室外壁面温度

    图4是过量空气系数d =2.5时,不同燃烧热功率下外壁面的温度分布,从图中可以看到一个奇特的现象,随着燃烧热动率P从100 W增大到300 W,生物质燃烧机外壁面温度没有升高,反而逐渐降低,当燃烧热功率为300 W时,生物质燃烧机外壁面的温度仅为550 K左右.一般情况下,随着燃烧热功率的增大,燃烧室释放热量也逐渐增大,生物质燃烧机外壁面温度也应该逐渐增大,但是对于所设计的微型多孔介质生物质燃烧机却恰恰相反,这主要是由于微型生物质燃烧机特殊的结构决定的,可以由后面微生物质燃烧炉的温度场分析给予解释.

2.4热损失率

    定义生物质燃烧机热损失QL与燃烧功率P的比僮为热损失率,即7/L=QL/P×100%.图5是不同燃烧功率下生物质燃烧机的热损失率7/L随d的变化曲线,从图中可以看出,燃烧热功率从100 W增大到300 W过程中,生物质燃烧机的热损失率反而逐渐降低,这一规律与微生物质燃烧机外壁面温度的变化规律相似.燃烧功率为200 W时,其最大热损失率仅为16. 12%,当d=2.5时,其热损失率仅为5.26%.较小的热损失率意味着有更多的燃烧热可以转化为燃气的热能,微生物质燃烧机的热效率更高.所设计的生物质燃烧机是一个高效、低热损微生物质燃烧机.

2.5燃烧室温度场

    微型多孔介质生物质燃烧机的热损失率与壁面温度的特殊变化规律是由微生物质燃烧机的特殊结构决定的,可以由微生物质燃烧机的温度场分布得以解释.图6是燃烧功率为200 W、d=2.5时微生物质燃烧机的温度场分布.从图中可以看出,H7 /Air预混气体由回热夹层通过泡沫铜板相向进入微燃烧室后,在多孔介质板两侧形成两个主燃区域,火焰锋面在燃烧室中心汇合,使得燃烧气体活性分子相互碰撞,提高了反应速度和燃烧反应强度,最终提高了微生物质燃烧机的出口尾气温度和燃烧效率.

    图7是d= 2.5时,在微生物质燃烧机半径为r为7mm处的轴向温度分布,从图中可以明显的看出,在宽度为0.5 mm的回热夹层内产生了较大的温度梯度,燃烧功率为P= 200 W时的回热夹层两侧温差高达196.6 K.这主要是因为一方面反应气体的导热系数较小,起到了一定的隔热作用,另一方面来流反应气体吸收了向外的散热,减少了热量的损失,同时提高了白身的温度和热焓,为气体的剧烈反应创造了条件.

    另外在泡沫铜板的内侧也产生了非常大的温度梯度.例如当燃烧功率为P =200 W时,微燃烧室的温度从泡沫铜板内侧处的0.7 mm左右的薄层内的830 K迅速增加到火焰中心酌1232 K,表明气体经过泡沫铜板相向进入微生物质燃烧机时,在火焰中心和泡沫铜板表面之间产生了一层极薄的气膜,在气膜内部产生了非常大的温度梯度,气膜起到了隔热作用,另外,微燃烧室经过泡沫铜板由内向外散热,而气体由外向内进入泡沫铜板,两者方向相反,因此,气体从回热夹层通过泡沫铜板进入微燃烧室时,吸收了较多的向外散热,提高了白身的温度和热焓,进一步加剧了微生物质燃烧机内气体的燃烧反应强度和反应速度,提高了燃烧效率,同时减少了微生物质燃烧机的向外散热.而且燃烧功率越高,反应气体流量越大,则回收的热量越多,微生物质燃烧机的热损失越小,外壁面温度越低.

3  结论

    (1)所设计的多孔介质微生物质燃烧机是一种燃烧效率高、热损失率小的微生物质燃烧机,是开发微燃烧透平发电系统的理想选择.

    (2)多孔介质微生物质燃烧机的最佳燃烧功率为200 W,最佳的过量空气系数操作范围为2.5

    (3)对于相同的过量空气系数,燃烧功率越大,热损失率越低.对于相同的燃烧功率,过量空气系数越大,微生物质燃烧机的热损失率越低.

    (4)由于微生物质燃烧机设计了回热夹层和采用了多孔介质轴向相向的进气方式,气体的流动方向和热量散失的方向相反,反应气体在回热夹层中和多孔介质板中能充分吸收微燃烧室的向外散热,提高了白身的热焓、微尺度燃烧的燃烧强度和燃烧效率,有效降低了微生物质燃烧机的热损失.


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点击次数:  更新时间:2017-03-23 14:15:55  【打印此页】  【关闭